CN104929527A - 一种具有金刚石复合片的钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有金刚石复合片的钻头，包括钻头基体和金刚石复合片，所述金刚石复合片焊接在钻头基体上，钻头基体的工作端沿圆周方向一体设置有若干支撑体，支撑体上设置有凹槽，凹槽内设有所述金刚石复合片，所述金刚石复合片高于支撑体顶部1mm-5mm；所述钻头基体内具有若干第一热管，所述第一热管数量与支撑体相同且位置与支撑体相对应；所述第一热管顶部伸入所述支撑体；在钻头基体中心处设有第二热管；所述第二热管下端粗于其上端；第一热管和第二热管靠近工作端的一端为蒸发段、另一端为冷凝段；在第一热管和第二热管的管壁上设有吸液芯，在第一热管和第二热管注入有工质并被端盖密封。这种钻头散热效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻头，尤其是一种具有金刚石复合片的钻头。
背景技术
金刚石复合片PDC(Polycrystalline Diamond Compact),其上部为聚晶金刚石薄层，下部为碳化钨硬质合金基底，金刚石复合片(PDC)工具在地质勘探、石油钻井、机械加工等行业应用非常广泛。
具有金刚石复合片的钻头存在的技术问题是：第一散热效果不理想，第二金刚石复合片与钢钻头基体(钻头体)之间多采用粘合剂粘结或氧气与乙炔火焰高温焊接。使用过程中金刚石复合片易产生“脱片”现象，“脱片”是具有金刚石复合片的钻头的主要失效形式，其原因是由于焊接不牢或粘接不牢而引起的。
由于存在这样的问题，所以有必要对现有的具有金刚石复合片的钻头进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种具有自散热性能的具有金刚石复合片的钻头。
本发明所设计的一种具有金刚石复合片的钻头，包括钻头基体和金刚石复合片，所述金刚石复合片焊接在钻头基体上，钻头基体的工作端沿圆周方向一体设置有若干支撑体，支撑体上设置有凹槽，凹槽内设有所述金刚石复合片，所述金刚石复合片高于支撑体顶部 1mm-5mm ；所述钻头基体内具有若干第一热管，所述第一热管数量与支撑体相同且位置与支撑体相对应；所述第一热管顶部伸入所述支撑体；在钻头基体中心处设有第二热管；所述第二热管下端粗于其上端；第一热管和第二热管靠近工作端的一端为蒸发段、另一端为冷凝段；在第一热管和第二热管的管壁上设有吸液芯，在第一热管和第二热管注入有工质并被端盖密封；在吸液芯的作用下工质进入到蒸发段，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质流向热管的冷凝段，在冷凝段凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段的液体工质在吸液芯毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温。
本发明所设计的具有金刚石复合片的钻头，它的有益效果是：钻头寿命长：以金刚石复合片为主切削齿，复合片的耐磨性能是硬质合金的20-40倍以上，使用寿命是普通钻头的3-5倍以上。本发明中，第一热管和第二热管具有循环散热的特性，可以通过工质汽液两态的转化，将钻头工作端产生的高温释放至末端，反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温；第一热管与支撑体相对应且顶部伸入所述支撑体，在支撑体处产生的高温更容易被散出，而第一热管顶部伸入所述支撑体使得第一热管更接近工作点以提高散热效果；而位于中部的第二热管则对支撑体之间的中心区域进行散热，降低工作面的温度，并且第二热管下端粗于其上端使其冷凝段相对更大，而蒸发段相对更小，这样的结构便于工质在冷凝段的冷凝，也使得工质在蒸发段汽化后更易负压，提高循环散热效果。这种钻头利用如下原理散热：在吸液芯的作用下工质进入到蒸发段，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质流向热管的冷凝段，在冷凝段凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段的液体工质在吸液芯毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温，散热效果更好。
本发明进一步的方案是：所述钻头基体由钴、铁、镍、钨、铜、锡、Cu-Re 合金、YG8、Mn组成，各组份的重量份为：钴 30份、铁5份、镍 2份、钨 2份、铜 11份、锡 1份、Cu-Re 合金32份、YG8 12份、Mn2份。其中：Cu-Re 合金为铜基稀土合金，YG8是钨钴类材料。耐磨性良好，使用强度和冲击韧性优于YG6，都可从姜堰市维德金属制品厂采购。
本发明再进一步的方案是：金刚石复合片焊接在钻头基体上的步骤如下：
采用体积浓度为99.5%的无水乙醇对金刚石复合片以及钻头基体的焊接面进行清洗；
在钻头基体焊接面上、以及金刚石复合片焊接面上涂抹铜钎焊熔剂，并后将它们置于充满氩气的加热室内升温，加热室内气压保持在0.5个标准大气压，将钻头基体加热到 650-652℃，并静置5-10秒钟；
将加热后的钻头基体及金刚石复合片置于高频感应加热焊室内，焊室内温度控制在 660-670℃，将铜钎焊料和铜钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片与钻头基体焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热焊接，焊接温度为 670℃。
采用铜钎焊料进行金刚石复合片的焊接，铜钎焊料具有优异的钎焊工艺性和润湿性，界面冶金结合致密，焊后表面光滑，焊接牢固，可有效解决现有技术中脱片的问题，脱片率可下降15%，延长钻头的使用寿命。
本发明再进一步的方案是：所述铜钎焊料为Cu6-Sn5或Cu3-Sn。
本发明所设计的具有金刚石复合片的钻头特别适合于地质勘探。
附图说明
图1是实施例1具有金刚石复合片的钻头的外观示意图；
图2是实施例1具有金刚石复合片的钻头的纵剖图；
图3是实施例5具有金刚石复合片的钻头的纵剖图；
图中：钻头基体1、金刚石复合片2、支撑体3、凹槽4、第一热管5、第二热管6、蒸发段7、冷凝段8、端盖10、吸液芯9、工质11。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，包括钻头基体1和金刚石复合片2，所述金刚石复合片2焊接（如采用银钎焊）在钻头基体1上，钻头基体1的工作端沿圆周方向一体设置有若干支撑体3，支撑体3上设置有凹槽4，凹槽4内设有所述金刚石复合片2，所述金刚石复合片2高于支撑体3顶部 1mm ；所述钻头基体1内具有若干第一热管5，所述第一热管5数量与支撑体3相同且位置与支撑体3相对应；所述第一热管5顶部伸入所述支撑体3；在钻头基体1中心处设有第二热管6；所述第二热管6下端粗于其上端；第一热管5和第二热管6靠近工作端的一端为蒸发段7、另一端为冷凝段8；在第一热管5和第二热管6的管壁上设有吸液芯9，在第一热管5和第二热管6注入有工质11并被端盖10密封；在吸液芯9的作用下工质11进入到蒸发段7，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质11温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质11流向热管的冷凝段8，在冷凝段8凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段8的液体工质11在吸液芯9毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段7，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温。
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，它的有益效果是：钻头寿命长：以金刚石复合片为主切削齿，复合片的耐磨性能是硬质合金的20-40倍以上，使用寿命是普通钻头的3-5倍以上。本发明中，第一热管5和第二热管6具有循环散热的特性，可以通过工质11汽液两态的转化，将钻头工作端产生的高温释放至末端，反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温；第一热管5与支撑体3相对应且顶部伸入所述支撑体3，在支撑体3处产生的高温更容易被散出，而第一热管5顶部伸入所述支撑体3使得第一热管5更接近工作点以提高散热效果；而位于中部的第二热管6则对支撑体3之间的中心区域进行散热，降低工作面的温度，并且第二热管6下端粗于其上端使其冷凝段8相对更大，而蒸发段7相对更小，这样的结构便于工质11在冷凝段8的冷凝，也使得工质11在蒸发段7汽化后更易负压，提高循环散热效果。这种钻头利用如下原理散热：在吸液芯9的作用下工质11进入到蒸发段7，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质11温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质11流向热管的冷凝段8，在冷凝段8凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段8的液体工质11在吸液芯9毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段7，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温，散热效果更好。
实施例2：
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，与实施例1不同的是：所述钻头基体1由钴、铁、镍、钨、铜、锡、Cu-Re 合金、YG8、Mn组成，各组份的重量份为：钴 30份、铁5份、镍 2份、钨 2份、铜 11份、锡 1份、Cu-Re 合金32份、YG8 12份、Mn2份。
所述钻头基体1性能如下表
| 抗弯强度MPa | 冲击韧性J | 硬度HRA | 密度g/cm3 | |
| 本实施例钻头基体 | 653 | 5.1 | 62 | 9.26 |
| 市场上同类PDC钻头 | 470 - 647 | 2 - 4.9 | 47 - 60.5 | 8.5 – 10.2 |
由此可知，本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，在抗弯强度、冲击韧性和硬度与同类产品相比具有明显的优势，可有提高使用寿命。
实施例3：
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，与实施例1不同的是：金刚石复合片2焊接在钻头基体1上的步骤如下：
采用体积浓度为99.5%的无水乙醇对金刚石复合片2以及钻头基体1的焊接面进行清洗；
在钻头基体1焊接面上、以及金刚石复合片2焊接面上涂抹铜钎焊熔剂，并后将它们置于充满氩气的加热室内升温，加热室内气压保持在0.5个标准大气压，将钻头基体1加热到 650-652℃，并静置5-10秒钟；该步骤中铜钎焊熔剂得到了预热；
将加热后的钻头基体1及金刚石复合片2置于高频感应加热焊室内，焊室内温度控制在 660-670℃，将铜钎焊料和铜钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片2与钻头基体1焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热焊接，焊接温度为 670℃。
其中：所述铜钎焊料为Cu6-Sn5。铜钎焊熔剂采用FB301铜钎焊熔剂，可从河北清河耐磨焊条公司购买。
采用铜钎焊料进行金刚石复合片的焊接，铜钎焊料具有优异的钎焊工艺性和润湿性，界面冶金结合致密，焊后表面光滑，焊接牢固，铜钎焊熔剂施了前后两次，使其分布更为均匀充分，对铜钎焊料的作用更为充分均匀；可有效解决现有技术中脱片的问题，脱片率可下降15%，延长钻头的使用寿命。
实施例4：
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，与实施例2不同的是：金刚石复合片2焊接在钻头基体1上的步骤如下：
采用体积浓度为99.5%的无水乙醇对金刚石复合片2以及钻头基体1的焊接面进行清洗；
在钻头基体1焊接面上、以及金刚石复合片2焊接面上涂抹铜钎焊熔剂，并后将它们置于充满氩气的加热室内升温，加热室内气压保持在0.5个标准大气压，将钻头基体1加热到 650-652℃，并静置5-10秒钟；
将加热后的钻头基体1及金刚石复合片2置于高频感应加热焊室内，焊室内温度控制在 660-670℃，将铜钎焊料和铜钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片2与钻头基体1焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热焊接，焊接温度为 670℃。
其中：所述铜钎焊料为Cu3-Sn。
实施例5：
如图3所示，本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，包括钻头基体1和金刚石复合片2，所述金刚石复合片2焊接（如采用银钎焊）在钻头基体1上，钻头基体1的工作端沿圆周方向一体设置有若干支撑体3，支撑体3上设置有凹槽4，凹槽4内设有所述金刚石复合片2，所述金刚石复合片2高于支撑体3顶部5mm ；所述钻头基体1内具有若干第一热管5，所述第一热管5数量与支撑体3相同且位置与支撑体3相对应；所述第一热管5顶部伸入所述支撑体3；第一热管5靠近工作端的一端为蒸发段7、另一端为冷凝段8；在第一热管5的管壁上设有吸液芯9，在第一热管5内注入有工质11并被端盖10密封；在吸液芯9的作用下工质11进入到蒸发段7，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质11温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质11流向热管的冷凝段8，在冷凝段8凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段8的液体工质11在吸液芯9毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段7，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温。本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，所述钻头基体1由钴、铁、镍、钨、铜、锡、Cu-Re 合金、YG8、Mn组成，各组份的重量份为：钴 30份、铁5份、镍 2份、钨 2份、铜 11份、锡 1份、Cu-Re 合金32份、YG8 12份、Mn2份。
所述钻头基体1性能如下表
| 抗弯强度MPa | 冲击韧性J | 硬度HRA | 密度g/cm3 | |
| 本实施例钻头基体 | 653 | 5.1 | 62 | 9.26 |
| 市场上同类PDC钻头 | 470 - 647 | 2 - 4.9 | 47 - 60.5 | 8.5 – 10.2 |
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，它的有益效果是：钻头寿命长：以金刚石复合片为主切削齿，复合片的耐磨性能是硬质合金的20-40倍以上，使用寿命是普通电镀、型金刚石钻头的3~5倍以上。本发明中，第一热管5具有循环散热的特性，可以通过工质11汽液两态的转化，将钻头工作端产生的高温释放至末端，反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温；第一热管5与支撑体3相对应且顶部伸入所述支撑体3，在支撑体3处产生的高温更容易被散出，而第一热管5顶部伸入所述支撑体3使得第一热管5更接近工作点以提高散热效果；这种钻头利用如下原理散热：在吸液芯9的作用下工质11进入到蒸发段7，具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质11温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质11流向热管的冷凝段8，在冷凝段8凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段8的液体工质11在吸液芯9毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段7，并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温，散热效果更好。
实施例6：
本实施例所描述的具有金刚石复合片的钻头，与实施例5不同的是：金刚石复合片2焊接在钻头基体1上的步骤如下：
采用体积浓度为99.5%的无水乙醇对金刚石复合片2以及钻头基体1的焊接面进行清洗；
在钻头基体1焊接面上、以及金刚石复合片2焊接面上涂抹铜钎焊熔剂，并后将它们置于充满氩气的加热室内升温，加热室内气压保持在0.5个标准大气压，将钻头基体1加热到 650-652℃，并静置5-10秒钟；
将加热后的钻头基体1及金刚石复合片2置于高频感应加热焊室内，焊室内温度控制在 660-670℃，将铜钎焊料和铜钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片2与钻头基体1焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热焊接，焊接温度为 670℃。
其中：所述铜钎焊料为Cu3-Sn。
上述实施例仅仅是对本发明的构思作举例说明，明显地，本专利的保护范围不限于上述实施例。
本领域技术人员对上述实施例所作的各种等同修改或补充，都应当落入本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有金刚石复合片的钻头，包括钻头基体（1）和金刚石复合片（2），所述金刚石复合片（2）焊接在钻头基体（1）上，其特征是钻头基体（1）的工作端沿圆周方向一体设置有若干支撑体（3），支撑体（3）上设置有凹槽（4），凹槽（4）内设有所述金刚石复合片（2），所述金刚石复合片（2）高于支撑体（3）顶部 1mm-5mm ；所述钻头基体（1）内具有若干第一热管（5），所述第一热管（5）数量与支撑体（3）相同且位置与支撑体（3）相对应；所述第一热管（5）顶部伸入所述支撑体（3）；在钻头基体（1）中心处设有第二热管（6）；所述第二热管（6）下端粗于其上端；第一热管（5）和第二热管（6）靠近工作端的一端为蒸发段（7）、另一端为冷凝段（8）；在第一热管（5）和第二热管（6）的管壁上设有吸液芯（9），在第一热管（5）和第二热管（6）注入有工质（11）并被端盖（10）密封；在吸液芯（9）的作用下工质（11）进入到蒸发段（7），具有金刚石复合片的钻头使用时，靠近工作端的工质（11）温度升高汽化，在压差作用下汽化的工质（11）流向热管的冷凝段（8），在冷凝段（8）凝结成液体并向外界释放出热量，这些位于冷凝段（8）的液体工质（11）在吸液芯（9）毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段（7），并再次受热汽化，如此反复循环以实现具有金刚石复合片的钻头的降温。
2.根据权利要求1所述的具有金刚石复合片的钻头，其特征是所述钻头基体（1）由钴、铁、镍、钨、铜、锡、Cu-Re 合金、YG8、Mn组成，各组份的重量份为：钴 30份、铁5份、镍 2份、钨 2份、铜 11份、锡 1份、Cu-Re 合金32份、YG8 12份、Mn2份。
3.根据权利要求1或2所述的具有金刚石复合片的钻头，其特征是金刚石复合片（2）焊接在钻头基体（1）上的步骤如下：
采用体积浓度为99.5%的无水乙醇对金刚石复合片（2）以及钻头基体（1）的焊接面进行清洗；
在钻头基体（1）焊接面上、以及金刚石复合片（2）焊接面上涂抹铜钎焊熔剂，并后将它们置于充满氩气的加热室内升温，加热室内气压保持在0.5个标准大气压，将钻头基体（1）加热到 650-652℃，并静置5-10秒钟；
将加热后的钻头基体（1）及金刚石复合片（2）置于高频感应加热焊室内，焊室内温度控制在 660-670℃，将铜钎焊料和铜钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片（2）与钻头基体（1）焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热焊接，焊接温度为 670℃。
4.根据权利要求3所述的具有金刚石复合片的钻头，其特征是所述铜钎焊料为Cu6-Sn5或Cu3-Sn。
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| CN201510292176.3A CN104929527B (zh) | 2015-05-29 | 2015-05-29 | 一种具有金刚石复合片的钻头 |
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- 2015-05-29 CN CN201510292176.3A patent/CN104929527B/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Hang Qingdong Inventor after: Wang Qiang Inventor before: Gao Yuanqin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170503 Address after: 257000 No. two, 750 North Road, Dongying District, Shandong, Dongying Applicant after: Shengli Oil Field is contained pyroxene oil tech Development Co., Ltd Address before: 310051, No. 121 foreshore Road, Hangzhou, Zhejiang, Binjiang District Applicant before: Gao Yuanqin |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Hang Qingdong Inventor after: Ge Lei Inventor after: Zhang Ximin Inventor after: Wang Qiang Inventor before: Hang Qingdong Inventor before: Wang Qiang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |